节块式金刚石刀头的SHS制备方法与流程

本发明涉及金刚石工具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种节块式金刚石刀头的shs制备方法。

背景技术：

节块式金刚石刀具通常采用粉末冶金烧结生产工艺，将金刚石磨粒与金属粉末混合冷压成型后，置于石墨模具中热压烧结。金刚石磨粒在固结结合剂的把持下发挥功效，工具的锋利度取决于金刚石的出刃高度与速度，并且还受制于烧结胎体的磨损性能。常规生产工艺所制备的节块刀头往往存在着胎体对金刚石的把持力与磨损适配性相矛盾的难题：即高温烧结的高致密胎体对金刚石的把持力强，但耐磨性过强，金刚石出刃不够，锋利度不足；而低温烧结胎体的磨损性弱化，但其对金刚石的润湿能力不足，把持力下降，金刚石易过早剥落失效，无法有效保证锋利度与使用寿命。

在现有技术还往往通过外加硬质相颗粒来提高金刚石工具的磨削性能，但是外加的硬质相颗粒也需要保证其与胎体的把持力才能发挥其功效。为了同时兼顾金刚石以及硬质相的把持力，并开发出与之相匹配的胎体，往往需要对烧结体系和烧结工艺做进一步深入细致的研究，以期提高节块式金刚石刀具的使用性能和寿命。

技术实现要素：

为了充分发挥金刚石的切削性能，提高金刚石刀头的锋利度，本发明开发了一种节块式金刚石刀头的shs制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种节块式金刚石刀头的shs制备方法，其是将结合剂与金刚石混匀得到混合料；混合料再经冷压得到冷压坯体，所述冷压坯体经过热压烧结制备得到所述节块式金刚石刀头，其特征在于：所述热压烧结分两段进行，首先将冷压坯体加热至780～850℃在250～300kgf/cm²的压力条件下保持30～60分钟，然后冷却至600～720℃在200～250kgf/cm²的压力条件下保持1.2～3.0小时。

其中，所述结合剂包括铝镍合金粉以及用于辅助磨削的硬质相颗粒，其中所述铝镍合金粉由铝粉和镍粉经冷态混合球磨得到的。

其中，所述铝镍合金粉在-50℃以下的低温环境下混合球磨得到，作为优选地，所述铝镍合金粉在-100℃以下的低温环境下混合球磨得到。

其中，所述结合剂还包括金属元素粉，所述金属元素组分选自fe、cu或sn中的至少一种或几种。

其中，所述结合剂由铝镍合金粉、硬质相颗粒和余量的金属元素粉组成。

其中，所述结合剂由20～30％的铝镍合金粉、1.0～20.0％的硬质相颗粒，以及余量的金属元素粉组成。

其中，所述硬质相颗粒选自wc、bn、sic以及sin中的至少一种。

其中，所述铝镍合金粉中铝粉和镍粉的原子比为1∶1～1∶3。

本发明的第二方面还涉及一种由上述shs制备方法制备得到的节块式金刚石刀头。

与最接近的现有技术相比，本发明所述的节块式金刚石刀头的shs制备方法具有以下有益效果：

本发明的制备方法采用了含有自蔓延反应的低温球磨al-ni合金组分的烧结体系，并且引入了分段式烧结工艺；不仅提高了胎体对金刚石以及硬质相颗粒的把持力，而且使得胎体的耐磨性与金刚石以及硬质相颗粒的出刃相匹配，有利于提高节块式金刚石刀头的切削性能，进而可以提高其锋利度以及使用寿命。

附图说明

图1为低温球磨的al-ni合金粉末的粒径分布。

图2为室温球磨的al-ni合金粉末的粒径分布。

图3为本发明制备的节块式金刚石刀头的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明所述的制备节块式金刚石刀头的shs制备方法做进一步的阐述，以期对本发明的技术方案做出更完整和清楚的说明。

为了保证胎体对金刚石以及硬质相颗粒具有足够把持力同时兼有与锯片刀头中的金刚石以及硬质相颗粒的磨损适配性而提高工具的锋利度，提高寿命。本发明提供了一种制备节块式金刚石刀头的shs制备方法。本发明的制备方法是在传统的结合剂的烧结体系中采用了低温球磨al-ni合金组分以及增强磨削能力硬质相颗粒，并且引入了分段式烧结工艺。一方面在第一烧结阶段通过短时的高温促进金刚石以及硬质相颗粒与胎体基质的融合，并通过随后的低温烧结阶段强化了金刚石以及硬质相颗粒与胎体的把持力，而另一方面高温烧结阶段持续的时间短，也不会导致胎体的耐磨性过强，从而使得胎体的耐磨性与金刚石以及硬质相颗粒的出刃相匹配，有利于金刚石颗粒的出刃和硬质相颗粒的磨出，从而有利于更好发挥金刚石刀头的综合效能。

作为示例性地，本发明的制备节块式金刚石刀头的主要操作如下：将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基镍粉以1∶1～1∶3的原子比在惰性气氛保护下冷态混合球磨(-50℃以下，可以利用液氮、干冰等控制球磨机在规定的温度以下)，球料比为(8～10)∶1，球磨时间为8～24小时。在惰性保护气氛中取料，出料粒度＜2μm。将得到的低温球磨al-ni合金组分按配方比例与其它金属元素粉、硬质相颗粒(例如wc、bn、sic以及sin)以及金刚石磨粒按照预设的配比在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结。热压烧结分两段进行，首先将冷压坯体加热至780～850℃在250～300kgf/cm²的压力条件下保持30～60分钟，然后冷却至600～720℃在200～250kgf/cm²的压力条件下保持1.2～3.0小时，待温度降低至600℃以下时卸压冷却取模，拆卸刀头。

以下将以制备尺寸为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)φ400mm节块式金刚石刀头(如图3所示)为例详细介绍本发明的制备方法。

作为示例性地，在本发明的实施例1～2以及比较例1～2中al-ni合金组分通过以下方法制备得到：

将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基镍粉以1∶3的原子比在氩气保护下冷态混合球磨(-100℃以下，利用液氮保温)，球料比为10∶1，球磨时间为20小时，得到粒径小于2μm的低温al-ni合金组分，粒径分布如图1所示。

作为对比，在本发明的比较例3～4中采用的al-ni合金组分通过以下方法制备得到：

将细粒度铝粉(粒径≤10μm)与羰基镍粉以1∶3的原子比在氩气保护下混合球磨(常温，无温度控制装置)，球料比为10∶1，球磨时间为20小时，得到粒径小于2μm的常温al-ni合金组分，粒径分布如图2所示。

实施例1

采用质量配比为43％fe+15％cu+2％sn+30％(al-ni合金组分)+10％wc的配方体系的结合剂制备节块式金刚石刀头。其中fe为羰基粉末，cu为300目电解粉末，sn为400目雾化粉末，wc为400目粉末。制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)的φ400mm节块式金刚石刀头。将结合剂以及金刚石磨粒(金刚石磨粒的体积浓度为43％，该体积浓度百分数是指相对于金刚石制品国际浓度标准的相对百分值)在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，冷压坯体的压实密度为理论密度的80％。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结，在780～850℃的温度下在300kgf/cm²的压力条件下保持30分钟，然后冷却至680℃在220kgf/cm²的压力条件下保持3.0小时，然后冷却至600℃后卸压冷却取模，拆卸刀头。刀头烧结致密度99.1％，硬度hrb103，抗弯强度860mpa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的c25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.8m/min，切割寿命为2231米。

实施例2

采用质量配比为50％fe+18％cu+2％sn+20％(al-ni合金组分)+10％wc的配方体系的结合剂制备节块式金刚石刀头。其中fe为羰基粉末，cu为300目电解粉末，sn为400目雾化粉末，wc为400目粉末。制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)的φ400mm节块式金刚石刀头。将结合剂以及金刚石磨粒(金刚石磨粒的体积浓度为43％，该体积浓度百分数是指相对于金刚石制品国际浓度标准的相对百分值)在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，冷压坯体的压实密度为理论密度的80％。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结，在780～820℃的温度下在280kgf/cm²的压力条件下保持50分钟，然后冷却至680℃在220kgf/cm²的压力条件下保持2.5小时，然后冷却至600℃后卸压冷却取模，拆卸刀头。刀头烧结致密度98.8％，硬度hrb101，抗弯强度850mpa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的c25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为4.0m/min，切割寿命为2176米。

对比例1

采用质量配比为43％fe+15％cu+2％sn+30％(al-ni合金组分)+10％wc的配方体系的结合剂制备节块式金刚石刀头。其中fe为羰基粉末，cu为300目电解粉末，sn为400目雾化粉末，wc为400目粉末。制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)的φ400mm节块式金刚石刀头。将结合剂以及金刚石磨粒(金刚石磨粒的体积浓度为43％，该体积浓度百分数是指相对于金刚石制品国际浓度标准的相对百分值)在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，冷压坯体的压实密度为理论密度的80％。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结，在780～850℃的温度下在300kgf/cm²的压力条件下保持3小时，然后冷却至600℃后卸压冷却取模，拆卸刀头。刀头烧结致密度99.2％，硬度hrb108，抗弯强度850mpa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的c25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.5m/min，切割寿命为2166米。

对比例2

采用质量配比为50％fe+18％cu+2％sn+20％(al-ni合金组分)+10％wc的配方体系的结合剂制备节块式金刚石刀头。其中fe为羰基粉末，cu为300目电解粉末，sn为400目雾化粉末，wc为400目粉末。制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)的φ400mm节块式金刚石刀头。将结合剂以及金刚石磨粒(金刚石磨粒的体积浓度为43％，该体积浓度百分数是指相对于金刚石制品国际浓度标准的相对百分值)在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，冷压坯体的压实密度为理论密度的80％。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结，在780～820℃的温度下在280kgf/cm²的压力条件下保持3小时，然后冷却至600℃后卸压冷却取模，拆卸刀头。刀头烧结致密度99.0％，硬度hrb103，抗弯强度850mpa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的c25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.6m/min，切割寿命为2098米。

对比例3

采用质量配比为43％fe+15％cu+2％sn+30％(al-ni合金组分)+10％wc的配方体系的结合剂制备节块式金刚石刀头。其中fe为羰基粉末，cu为300目电解粉末，sn为400目雾化粉末，wc为400目粉末。制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)的φ400mm节块式金刚石刀头。将结合剂以及金刚石磨粒(金刚石磨粒的体积浓度为43％，该体积浓度百分数是指相对于金刚石制品国际浓度标准的相对百分值)在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，冷压坯体的压实密度为理论密度的80％。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结，在780～850℃的温度下在300kgf/cm²的压力条件下保持30分钟，然后冷却至680℃在220kgf/cm²的压力条件下保持3.0小时，然后冷却至600℃后卸压冷却取模，拆卸刀头。刀头烧结致密度95.7％，硬度hrb100，抗弯强度850mpa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的c25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为3.9m/min，切割寿命为1931米。

对比例4

采用质量配比为50％fe+18％cu+2％sn+20％(al-ni合金组分)+10％wc的配方体系的结合剂制备节块式金刚石刀头。其中fe为羰基粉末，cu为300目电解粉末，sn为400目雾化粉末，wc为400目粉末。制备规格为40mm(长)×15mm(高)×3.6mm(厚)的φ400mm节块式金刚石刀头。将结合剂以及金刚石磨粒(金刚石磨粒的体积浓度为43％，该体积浓度百分数是指相对于金刚石制品国际浓度标准的相对百分值)在充有氮气的圆形混料桶中混合1.5～2.5小时，混合均匀后，装料于自动冷压机料槽中，在钢模中冷压成型至坯体设计尺寸，冷压坯体的压实密度为理论密度的80％。将冷压坯体组装于石墨模具中在热压烧结机上热压烧结，在780～820℃的温度下在280kgf/cm²的压力条件下保持50分钟，然后冷却至680℃在220kgf/cm²的压力条件下保持2.5小时，然后冷却至600℃后卸压冷却取模，拆卸刀头。刀头烧结致密度94.9％，硬度hrb98，抗弯强度870mpa。将刀头钎焊于钢质基体上，制备成品锯片。锯片装于手推式水泥切割机上切割厚度为80mm的c25水泥混凝土路面(无鹅卵石)，水冷切割。锯片的平均切割速度为4.2m/min，切割寿命为1857米。

尽管实施例中仅示例性的示意了一种低温球磨组分和一种规格尺寸的节块式金刚石刀头，但只要将铝粉和镍粉的摩尔比保持在本申请发明内容部分限定的范围内，并且控制冷态混合球磨的温度为-50℃以下，都可以得到优于普通室温球磨的技术效果。而且同样地，添加本发明所要求范围的其他硬质相颗粒通过能够辅助提高磨削新更能，从而通过两步烧结工艺可以使得胎体对钢筋混凝土的耐磨性与金刚石的出刃速度相匹配，提高使用寿命。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。